A água reage como qualquer outro composto às mudanças de temperatura, mas uma anomalia ocorre em uma faixa estreita em torno do ponto de fusão, e é uma mudança que faz uma grande diferença. Quando você aquece o gelo, as moléculas ganham energia cinética e o gelo se expande até derreter. Mas quando todo o gelo se transforma em água e a temperatura começa a subir novamente, a expansão para. Entre 32 e 40 graus Fahrenheit (0 e 4 graus Celsius), a água derretida realmente se contrai conforme a temperatura aumenta. Além de 40 F (4 C), ele começa a se expandir novamente. Esse fenômeno torna o gelo menos denso do que a água ao seu redor, razão pela qual o gelo flutua.
TL; DR (muito longo; Não li)
O gelo se expande a uma taxa fixa, a água líquida se expande a uma taxa acelerada com o aumento da temperatura e o vapor novamente se expande a uma taxa fixa. Entre as temperaturas de 32 F (0 C) a 40 F (4 C), a água líquida realmente se contrai com o aumento da temperatura.
Expansão de Gelo, Água e Vapor
Como um sólido, o gelo só pode se expandir linearmente, o que significa que o comprimento e a largura de um cubo de gelo podem mudar. O coeficiente de expansão linear do gelo, que mede a mudança fracionária de comprimento e largura por grau Kelvin, é uma constante de 50 x 10-6÷ K. Isso significa que o gelo se expande uniformemente com cada grau de calor que você adiciona a ele.
Quando o gelo se torna água líquida, ele não tem mais dimensões lineares fixas, mas tem volume. Os cientistas usam um coeficiente térmico diferente - o coeficiente de expansão de volume - para medir a resposta da água líquida à temperatura. Este coeficiente, que mede as mudanças fracionárias no volume por grau Kelvin, não é fixo. Ele aumenta com o aumento da temperatura até que a água comece a ferver. Em outras palavras, a água líquida se expande em uma taxa crescente à medida que a temperatura sobe.
Quando a água se transforma em vapor, ela se expande de acordo com a lei dos gases ideais: PV = nRT. Se a pressão (P) e o número de moles de vapor (n) se mantiverem constantes, o volume de vapor (V) aumentará linearmente com a temperatura (T). Nessa equação, R é uma constante chamada constante de gás ideal.
A anomalia crucial
Em seu ponto de fusão, a água exibe uma característica compartilhada por nenhum outro composto. Em vez de continuar a se expandir no estado líquido, ele se contrai e sua densidade aumenta até atingir um máximo de 40 F (4 C). Do ponto de fusão a este ponto crítico, o coeficiente de expansão é negativo, e no ponto de densidade máxima, o coeficiente de expansão é 0. Se a temperatura continuar a subir, o coeficiente de expansão torna-se novamente positivo.
Se você reverter o gradiente de temperatura e resfriar a água até o ponto de congelamento, ela começa a se expandir a 40 F (4 C) e continua a se expandir até congelar. Este é o motivo pelo qual os canos de água estouram em climas congelantes e nunca se deve colocar uma garrafa de vidro cheia de água no congelador.